[发明专利]电池负极材料及其制备方法和钠离子电池

说明书

本发明涉及电池领域，公开了一种电池负极材料及其制备方法和钠离子电池，电池负极材料的制备方法包括：(1)对含有磷源和含碳聚合物的溶液进行静电纺丝，得到磷掺杂的纳米纤维；(2)对磷掺杂的纳米纤维进行真空干燥；(3)在惰性气氛或真空条件下，对步骤(2)得到的固体物质进行加热处理。采用本发明提供的方法制得的电池负极材料得到的钠离子电池放电比容量高且循环稳定性好。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体地，涉及一种电池负极材料及其制备方法和钠离子电池。

背景技术

大力开采和使用传统化石能源给当今人类社会带来了能源枯竭和环境污染两大难题，也迫使人们加快清洁、可再生能源的开发与利用。当前，利用风能、太阳能、潮汐能、地热能等发电是一种实现可持续、绿色环保的发展方式，而储能器件是实现将随机性、间歇性的可再生清洁能源转换成电能并避免对电网产生冲击的关键。作为一种简单高效便捷的储能系统——二次电池成为了世界各地科研工作者的研究热点，在未来能源技术领域有十分重要的地位。

锂离子电池是目前市场上占据主导地位的储能器件之一，具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电小、工作温度范围宽等优点。在便携电子市场的需求增长迅猛使得锂矿资源蕴藏量不断减小，且锂矿资源全球分布不均且大部分位于偏远甚至极地区域开采不便，使得锂的价格不断升高，成为了批量生产锂离子电池、在储能电站中应用锂离子电池的瓶颈。

相比锂资源，钠储能十分丰富，在地壳中的储量约为2.64％，位居第六，且分布广泛、提炼简单，同时，钠和锂在元素周期表的同一主族，具有和锂相似的物理化学性质和储存机制。对于活性电极材料，钠的嵌入机理与锂相似，所以近几年钠离子电池逐渐成为研究热点。

硬碳作为钠离子电池负极材料，碳源丰富，成本低廉，性能稳定，但是充放电容量较低。单质磷作为钠离子电池负极材料时，理论容量可达2600mAh/g，但循环稳定性较差。

现有技术将磷掺碳的方法主要包括：(1)将聚合物加入有机溶剂中，然后加入磷酸，搅拌均匀后烘干，然后直接热解；(2)将红磷和碳进行长时间球磨。这两种方法得到的掺磷硬碳材料不能够将磷充分掺杂到硬碳中，多存在于硬碳的表面，且采用该掺磷硬碳材料制得的钠离子电池仍存在放电比容量较低，循环稳定性较差的缺陷。

发明内容

本发明针对现有的钠离子电池负极材料不能兼顾放电比容量和循环稳定性的缺陷，提供一种能够在钠离子电池中具有较高的放电比容量和较好的循环稳定性的电池负极材料制备方法、由该制备方法制得的电池负极材料和一种钠离子电池。

为了实现上述目的，本发明提供一种电池负极材料的制备方法，该制备方法包括：

(1)对含有磷源和含碳聚合物的溶液进行静电纺丝，得到磷掺杂的纳米纤维；

(2)对磷掺杂的纳米纤维进行真空干燥；

(3)在惰性气氛或真空条件下，对步骤(2)得到的固体物质进行加热处理。

本发明还提供了由上述方法制得的电池负极材料。

本发明还提供了一种钠离子电池，其中，所述钠离子电池的负极材料为上述电池负极材料。

本发明的发明人在研究中意外发现，将磷源和含碳聚合物混合作为纺丝液，经静电纺丝得到磷掺杂的纳米纤维，然后在惰性气氛或真空条件下对磷掺杂的纳米纤维进行热处理制备得到的电池负极材料应用到钠离子电池中，大大提高了放电比容量，且具有较好稳定性。究其原因可能是因为，磷元素成功掺入硬碳当中，同时磷的掺杂增大了硬碳层间距，并且在充放电过程中磷能与钠形钠磷键，额外提供了部分容量，从而大大提高了掺磷硬碳电池负极材料整体的容量。

通过采用本发明的电池负极材料，能够获得放电比容量高且稳定性好的钠离子电池，可实现高比容量可逆充放电。